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Republica Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada Nucleó: Caracas

Autores: Profesor: Larry López

Cedeño, Pedro C.I 19907522 Días, Kelvin C.I 19852171 García, Henry C.I 20754380 Pérez, Glender C.I 20753624 Quero, Enmanuel C.I 23185618 Caracas, 5 de julio de 2012

Índice de Contenido Introducción ............................................................................................................................. 2 Titanio ...................................................................................................................................... 4 Propiedades del titanio .......................................................................................................... 5 Características del titanio ...................................................................................................... 6 Características físicas ....................................................................................................... 6 Características mecánicas ................................................................................................ 6 Características químicas ................................................................................................... 7 Titanio puro ............................................................................................................................. 7 Aleaciones del titanio ............................................................................................................. 7 Diagramas de fases del titanio ........................................................................................... 10 Aleaciones del titanio industrial .......................................................................................... 13 Tratamientos térmicos del titanio ....................................................................................... 14 Otros tratamientos:............................................................................................................... 16 Nitruración ......................................................................................................................... 16 Oxidación térmica............................................................................................................. 17 Mecanizado ....................................................................................................................... 17 Fundición del titanio ......................................................................................................... 18 Forjado del titanio ......................................................................................................... 18 Aplicaciones del titanio ........................................................................................................ 19 Conclusión ............................................................................................................................. 24 Bibliografía ............................................................................................................................ 26

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Introducción El siguiente trababajo tiene como finalidad dar a conocer aspectos importantes sobre el titanio sus aleaciones, la importancia de este material en la ingeníeria mecánica y algunas de sus aplicaciones Se encuentra en su mayoria en forma de dioxido de titanio que se utiliza para pintar, de manera pura se encuentra esta en plantas y cenizas de algunos animales. Principalmente podemos decir que es alotropico de color grisaceo y una estructura cristalina hexagonal compacta con tres aleaciones importantes las cuales temos: Alfa que contiene gran cantidad de aluminio, alfa-beta son aleaciones compuestas por vanadio y molibdeno, y finalmete las aleaciones beta estas se someten a tratamientos térmicos resistentes para mejorar su calidad de resistencia. Podemos encontrar entre sus características que es un material de poco peso y alta rigidez, es ducil y maleable, posee poca erosion y alta conductividad, resitente a la inoxidable,

traccion esto lo hace muy parecido al acero

por estas caracteristicas hace que material sea de vital

importancia en la construccion de piezas importantes en la indrustrias mecanicas, navales, aereonauticas y hasta biomedica.

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Titanio El titanio es un metal como el aluminio y el acero inoxidable, se pasiva y resiste la corrosión ambiental. La resistencia a la corrosión del titanio es notable en medios que contengan niveles elevados de cloruro además, el titanio tiene una densidad de 4,5 y el modulo de elasticidad de 11x103 kg/mm2. El titanio muy puro tiene 10,5 kg/mm2 de resistencia a la tracción y 50% de alargamiento; pero el titanio de calidad comercial tiene una máxima resistencia de tracción de 50kg/mm2 casi cinco veces superior a la del material puro. La resistencia de tracción del titanio varia con el contenido de impurezas (nitrógeno, oxigeno y carbono) en posición intersticial. Esto mismo elementos modifican la ductilidad del titanio. Las aleaciones base titanio comercialmente disponibles poseen una resistencia a las tracción de hasta 105 kg/mm2. El titanio se produce partiendo del TiO2 se convierte en TiCl4 (tetracloruro de titanio, y también conocido como “ticle”), que después es reducido a titanio por medio de sodio o manganeso. El titanio resultante se consolida, se alea según se necesite y se procesa utilizando fundición de arco eléctrico al vacío. El titanio posee una excelente resistencia a la corrosión, una alta resistencia especifica y buenas propiedades a las altas temperaturas, resistencia de hasta 200000 psi, junto con una densidad de 4.505 g/cm3, aporta excelentes propiedades mecánica. Una película protectora adherente de tiO2 proporciona una importante resistencia a la corrosión y a la contaminación por debajo de 535 °C, por encima de esta temperatura, la película de oxido se desintegra y pequeños átomos como los del carbono, oxigeno, nitrógeno e hidrogeno fragilizan el titanio.

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Propiedades del titanio

El titanio es un material blanco-plateado de poca densidad (4.5 g/cm3) y alta temperatura de fusión (1678 °C). El titanio es alotrópico con una estructura cristalina HC α a bajas temperatura y con una estructura BCC β por encima de 882 °C, los elementos de aleación le aportan endurecimiento por solución solida y modifica su tempera tu de transformación alotrópica. Los elementos de aleación de pueden dividir en cuatro grupos. Adiciones tales como estaño y

zirconio proporcionan endurecimiento por solución

solida sin afectar la temperatura de transformación. El aluminio, oxigeno, hidrogeno y otros elementos estabilizadores de la fase alfa incrementa la temperatura a la cual α se transforma en β. Estabilizadores de la fase beta, como por ejemplo, el vanadio, el tantalio

y el molibdeno disminuyen la

temperatura de transformación, haciendo que incluso beta sea estable a temperatura ambiente. Finalmente el manganeso, el cromo y el hierro producen una reacción eutectoide, reduciendo la temperatura a la cual ocurre la transformación α-β y produciendo a la temperatura ambiente una estructura de dos fases.

Fig. Composiciones químicas del titanio Marca del

Fe

Si

C

O

M

BTI-0

0.18

0.10

0.07

0.12

0.010

BTI-00

0.12

0.08

0.05

0.10

0.008

titanio

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Características del titanio Características físicas  Es un metal de transición.  Su densidad o peso específico es de 4507 Kg/m3  Tiene un punto de fusión de 1675 °C  Su masa atómica es de 47,867 u  Entalpia de evaporización 421Kj/mol  Entalpia de fusión 15.45Kj/mol  Es de color plateado grisáceo  Es paramagnético, es decir, no se imanta debido a su estructura electrónica.  Forma aleaciones con otros elementos para mejorar las prestaciones mecánicas.  Es resistente a la corrosión.  Refractario.  Tiene una conductividad térmica de 21.9 W/(K.M)  Conductividad eléctrica de 2,38 × 106 S/m  Estructura cristalina hexagonal Características mecánicas  Mecanizado por arranque de viruta similar al acero inoxidable.  Permite fresado química  Es maleable.  Es dúctil.  Tiene una escala de Mohs 6 (duro).  Resistente a la tracción.  Permite

varias

clases

de

tratamientos

termoquímicos

como

superficiales

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Características químicas  Se encuentra en forma de óxido, en la escoria de ciertos minerales y en cenizas de animales y plantas. 

Presenta dimorfismo, a temperatura ambiente tiene estructura hexagonal compacta (hcp) llamada fase alfa. Por encima de 882 °C presenta estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) se conoce como fase beta.



La resistencia a la corrosión que presenta es debida al fenómeno de pasivacion que sufre (se forma un óxido que lo recubre). Es resistente a temperatura ambiente al ácido sulfúrico (H2SO4) diluido y al ácido clorhídrico (HCl) diluido, así como a otros ácidos orgánicos, también es resistente a las bases, incluso en caliente.

Titanio puro El titanio sin alear se utiliza para aprovechar su resistencia a la corrosión superior. Las impurezas como el oxigeno aumenta la resistencia de titanio, pero reduce su resistencia a la corrosión. Las aplicaciones incluyen intercambiadores de calor, tuberías, reactores, bombas y válvulas para las industrias química y petroquímica.

Aleaciones del titanio El titanio al igual que la alecciones de hierro, tiene una importancia fundamental de la aptitud de elemento de aleación para disolver en el titanio y la fuerza que ejerce en la posición del punto critico (temperatura de la transformación α-β).

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De acuerdo con esto todos los elementos se dividen en dos grupos, A y B. al grupo A pertenecen los elementos que se disuelven en el titanio sin limitación, y al B, los de solubilidad limitada en el titanio, que en cantidades relativamente pequeñas forman ya compuestos químicos con el titanio. Para la velocidad general de la influencia que ejerce sobre el titanio los elementos de aleación es importante saber como influyen en sus transformaciones polimórficas que compuestos químicos forman con el. A este tipo de preguntas lo responden los diagramas binarios de estado titanio, elementos de aleación representados en forma de esquema de clasificación.

Fig. Diagrama de estado de las aleaciones del titanio

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Diagramas de fases del titanio

Fig. Diagrama de fases del titanio-aluminio

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Fig. Diagrama de fase titanio-manganeso

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Fig. Diagrama de fase titanio vanadio

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Aleaciones del titanio industrial Las aleaciones del titanio se clasifican atendiendo a la estructura que obtienen después de enfriamiento normalizado y de acuerdo con esto se dividen en aleaciones α, aleaciones α+ β y aleaciones β. Las aleaciones α industriales son relativamente poco plásticas y no adquieren friabilidad al ser tratadas térmicamente. A las aleaciones de esta clase pertenecen el titanio puro y sus aleaciones con el aluminio; las aleaciones β son mas plásticas, pero también las menos resistentes, durante el calentamiento no sufre transformaciones de fase. Las aleaciones α+β son mas resistentes que la de una sola fase, se forjan y se estampan bien, admiten el tratamiento térmico y solo adquieren fragilidad cuando dicho tratamiento se efectúa en determinadas condiciones (aparición de la fase ω). Las aleaciones α+β son las mas aptas para la utilización practica. A esta clase pertenecen la mayoría de las aleaciones industriales.

Fig. Composiciones químicas de las aleaciones de los titanios industriales

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Tratamientos térmicos del titanio

El recocido logra una combinación de ductilidad y alta propiedades uniformes y una buena resistencia mecánica. Las aleaciones se calientan juntas por debajo de la temperatura de transición, los que permite que quede una pequeña cantidad de α lo que previene crecimientos de granos. Un enfriamiento lento causa la formación de granos α equaixial; esta estructura equiaxial proporciona una buena ductilidad, formalidad y, al mismo tiempo dificulta la nucleación de grietas por fatiga. Un enfriamiento mas rápido, particularmente partiendo de una temperatura de transición por arriba de α-β, produce una fase αen tejido de canasta. Aunque en esta estructura pueden nuclearse mas fácilmente grietas por fatiga, esta debe seguir una trayectoria tortuosa a lo largo de las fronteras entre α y β. Esta situación da como resultado una lenta velocidad de crecimiento de grietas por fatiga, una buena tenacidad a la fractura y una buena resistencia a la termofluencia. Cuando β se templa desde una temperatura alta, se pueden producir dos tipos de microestructuras posibles. La fase β se transforma a martencita de titanio en algunas aleaciones que cruce en enfriamiento; la martencita de titanio es una fase sobresaturada relativamente blanda.

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Fig. Recocido de una aleación de titanio

Fig. Tratamiento térmico de las aleaciones de titanio

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El tratamiento térmico más importante es aquel con el cual se afina el grano durante la recristalizacion de fase y se elevan las características de plasticidad. El principal incremento de resistencia del titanio se crea a expensas del revenido (envejecimiento) de las aleaciones templadas o de tratamientos isométricos.

Otros tratamientos: Nitruración El tratamiento termoquímico de nitruración del titanio puro y de la aleación Ti6Al4V produce una capa de revestimiento lisa y homogénea, con incrementos de la dureza superficial de hasta un 500% respecto al material no tratado. La capa de nitruro de titanio formada tiene un espesor de 2-3 mm, en tres horas de tratamiento, formada por pequeños granos de nitruro con diámetros del orden de los 50-100 nm. El componente principal de la capa es nitruro de titanio (Ti2N) Este tipo de tratamiento tiene gran utilidad en las aplicaciones biomédicas del titanio y en los componentes de motocicletas y automóviles de competición: bielas, válvulas. Las piezas a tratar se colocan en una cámara en vacío y son sometidas a una temperatura de 500 °C. Se inyecta nitrógeno, que en contacto con iones de titanio, reaccionan para formar nitruro de titanio, presentando al final del proceso un color dorado. Con esta técnica la dureza superficial puede aumentar hasta 2600 HRB. Las piezas nitruradas tienen una gran resistencia a la corrosión.

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Oxidación térmica Un método de mejorar las propiedades superficiales del titanio, concretamente la mejora de la resistencia a la corrosión, es cuando se somete el titanio a un tratamiento superficial de oxidación que, además, puede originar una variedad de colores muy atractiva que amplía las posibilidades del titanio en el sector de la joyería y de la decoración. Existen distintas técnicas para llevar a cabo la oxidación superficial del titanio para producir su coloración, como son el tratamiento térmico, el procesado con plasma o la oxidación electrolítica.

Mecanizado El mecanizado de piezas de titanio en máquinas herramientas normales se realiza en condiciones parecidas a las que se utiliza para mecanizar acero o aleaciones de aluminio, y las condiciones tecnológicas del mecanizado dependerán de la dureza que tenga la aleación de titanio que se mecanice. El titanio es más elástico que el acero por lo que las piezas mal sujetas pueden tender a doblarse ante las herramientas de corte. Hay que refrigerar el mecanizado con un refrigerante adecuado teniendo en cuenta que el titanio es mal conductor térmico y por tanto difícil de refrigerar, pudiendo deteriorar el filo de corte de las herramientas a consecuencia de las altas temperaturas en la zona de corte.

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Fundición del titanio La fundición de piezas de titanio se realiza cuando se trata de piezas de diseño complejo que hace difícil el forjado o mecanizado de las mismas. Hay dos métodos principales para la fundición de piezas:  Fundición por moldeo de grafito apisonado, recomendado para la fundición de piezas de gran tamaño por ser el procedimiento más económico

porque

no

hay necesidad

de

fabricar

moldes

especiales.  Fundición a la cera perdida, es el método más apropiado para fundir piezas pequeñas y de gran precisión con acabados de alta calidad. En el desarrollo de las diferentes prótesis óseas y dentales se recurre a la fundición de los componentes en hornos muy sofisticados para obtener una gran precisión y calidad de las piezas fundidas, a partir de los moldes adecuados. La verificación de piezas fundidas se realiza mediante líquidos penetrantes, rayos X o ultrasonidos.

Forjado del titanio Para la conformación de piezas de titanio por forjado se pueden utilizar las técnicas y herramientas convencionales que se utilizan para el forjado de piezas de acero. Se pueden forjar piezas de cualquier aleación de titanio con estructura de grado único y con una resistencia y dureza localizadas.

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La posibilidad de la deformación en caliente si se hace a temperatura superior a la transformación alotrópica que es equivalente a la de los aceros inoxidables, puede presentar en algunos casos superelasticidad. Ejemplo de piezas forjadas pueden ser las siguientes:  Bielas de motores de automóviles de competición  Prótesis e implantes médicos  Cabezas de palos de golf  Turbinas de turbo-compresores  Accesorios para tuberías.

Aplicaciones del titanio La excelente resistencia a la corrosión del titanio permite aplicaciones en equipos de procesamientos químicos, componentes marinos e implantes biomecánicos tales como las prótesis de cadera. El titanio es una materia aeroespacial importante que encuentra aplicaciones en fuselajes y componentes del motor a reacción. Cuando se le combina con novio, se forma un compuesto intemetalico superconductor. Cuando se le combina con aluminio, se produce una nueva clase de aleaciones intermetalicas. Algunas aplicaciones son:  Aplicaciones biomédicas: El titanio es un metal biocompatible, porque los tejidos del organismo toleran su presencia sin que se hayan observado

reacciones alérgicas

del sistema

inmunitario.

Esta

propiedad de biocompatibilidad del titanio unido a sus cualidades mecánicas de dureza, ligereza y resistencia han hecho posible una gran cantidad de aplicaciones de gran utilidad para aplicaciones médicas, como prótesis de cadera y rodilla, tornillos óseos, placas

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antitrauma e implantes dentales, componentes para la fabricación de válvulas cardíacas y marcapasos, gafas, herramental quirúrgico tales como bisturís, tijeras, etc., y también la gran cantidad de piezas llamadas piercing.

 industria energética: El titanio es muy utilizado en la construcción de sistemas de intercambio térmico en las centrales térmicas eléctricas (y también en las centrales nucleares), debido principalmente a sus características de resistencia mecánica (lo que hace que los intercambiadores sean muy resistentes a las vibraciones y que los espesores de los tubos puedan ser menores, facilitando el intercambio de calor) y químicas (el titanio, a semejanza del cobre, genera una capa inoxidable sobre su superficie).

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 Industria automovilística: Un sector nuevo se ha incorporado a la fabricación de componentes de titanio, donde las empresas automovilísticas están incorporando componentes de titanio en los vehículos que fabrican, con el fin de aligerar el peso de los mismos, así por ejemplo ya existen muelles y bielas de titanio.

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 Industria aeronáutica y espacial: Debido a su fuerza, baja densidad y el que

puede

soportar temperaturas relativamente

altas, las

aleaciones de titanio se emplean en aviones y cohetes espaciales.

 Industria militar: El titanio se emplea en la industria militar como material de blindaje, en la carrocería de vehículos ligeros, en la construcción de submarinos nucleares y en la fabricación de misiles.

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 Construcción naval: La propiedad que tiene el titanio de ser resistente a la corrosión permite que algunas de sus aleaciones sean muy utilizadas en construcción naval donde se fabrican hélices y ejes de timón, cascos de cámaras de presión submarina, componentes de botes salvavidas y plataformas petrolíferas.

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Conclusión El titanio y sus aleaciones, antes que todo hay que saber es este elemento quimico, similar al acero inoxidable y para su estudio vamos a empezar mencionado sus principales caracteristicas, es de color plateado grisaceso, tiene una estructura compacta cristalina hexagonal compacta llamada alfa y beta se denomina a 885, su numero anatomico corresponde al 22 y un peso anatomico de 47.90. este material es muy resistente, las aleaciones del titanio pueden ser con carbono, oxigeno y nitrogeno debido a que sus atomos son suficentementes pequeños para alojarse en su reticulo. sus propiedades son poco peso y de gran rigidez, esto es lo que hace apto para contrucciones aeroespaciales entre sus caracteristicas quimicas importantes : el mismo se ncuentra en forma de oxido(escoria, cenizas de animales y en algunas plantas). Del titanio anteriormente se hablaba sobre la estructura alfa beta del titao, al agregar cualquier elemento de aleacion el mismo va a ainfluir directamente con esta estructura El dioxido de titanio tiO2 este se encuentra menos en la naturaleza que el anterior, este se utiliza como un pigmento blanco como pintura, da gran brillo, dureza y resistencia. Tetacloruro de titanio (TiCl4) es un líquido amarillento y es producido con minerales que contienen titanio El titanio se puede aplicar con muchos fines importantes biomedico, los tejidos del organismo oueden tolerar su precencia utilizado para las protesis de cadera, tornillos oseos, fabricacion de valvulas y marcapasos cardiacos. en la industria automovilistica se producen muelles y bielas de este material, tambien se emplean en aviones y cohetes, lo utilizan en la construcción de helices y ejes de timon y platafomas petroleras.

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Finalmente en la ingenieria mecanica se podria aplicar este material para la construccion de piezas por su gran resistencia y el parecido al acero inoxidable, su alta resistencia a algunos acidos hace de este material una buena elección.

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Bibliografía Fuentes Impresas

Donald R. Askeland. (2004). Ciencia e ingeniería de los materiales (4° edición). Internacional Thomson Editore S.A. México. A.P Guliaev (1978). Metalografía (2° tomo). Editorial Mir. Moscú Sydney H. Avner. (1988). Introducción a la Metalografía Física. (2° edición) McGraw-Hill. México Pere Molera Sola. (1991). Tratamientos térmicos de los Metales. MARCOMBO. España. Documentos en Línea

Aplicaciones del Titanio. (Documento en Línea) consultado: 3 de Julio del 2012. http://tecnolowikia.wikispaces.com/Aplicaciones+del+Titanio

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